[发明专利]用于对能量存储器的各个串联的单元进行电荷均衡的设备和方法

说明书

本发明涉及一种用于对能量存储器的各个串联的单元、特别是对双层电容器的如在汽车车用电网中所应用的串联电容器进行电荷均衡的设备和方法。

例如在通过作为电动机工作的集成式起动器发电机对内燃机进行加速支持(助推)时，或者在通过作为发电机工作的集成式起动器发电机在再生制动过程中将动能转换为电能(回收)时，双层电容器被证明是用于在汽车车用电网(Bordnetz)中存储和提供短期高功率的最合理的技术解决方案。

双层电容器的单个单元的最大电压被限制约为2.5V至3.0V，使得对于例如60V的电压(对于在42V车用电网中所使用的双层电容器而言是典型的电压值)必须将大约20至26个单个电容器串联成电容器组中。

随着时间的推移，由于所述单个单元的不同的自动放电，在电容器组中形成电荷不平衡，其中如果不执行电荷均衡，则所述电荷不平衡最终导致所述双层电容器不可用。

如果在从周到月的时间间隔上外推在汽车中重要的放电曲线，则存在的问题变得明显。图1范例地示出了带有18个单元(电容器)的双层电容器(电容器组)的电容器电压在时间上的特性曲线分散范围。在图1中所示的分散宽度(在最大值和最小值之间)表明，在电容器组中的单个单元的自动放电可以在怎样的程度上随着时间波动。

但是在双层电容器中，如在铅酸蓄电池情况下例如通过所述电容器组的微小过量充电的简单电荷均衡是不可能的。

企业内公知的可能性在于：对每个单个单元的电压借助于单独的电子系统(运算放大器和分压器R1/R2)进行监控，并且当达到或者超过预定的最大值U_ref时借助于可接通的并联电阻R_byp引起部分放电(图2)。于是，所述单元通过所述并联电阻R_byp放电，并且所述单元的电压U_C再次下降到所述最大值之下。如果所述最大值低于一个预定的电压值，那么所述并联电阻R_byp再次被切断。

这样一种电路在被动状态下需要少量的能量，但是通过电荷衰减(在并联电阻R_byp中的能量损耗)实现所述电荷均衡。这种变型在那里可以合理地得以使用，其中电容器组主要在最大电压附近运行，例如在由备用发电设备供电时。

然而所述构思被限制于以下方面，即通向所述电容器组的充电电流必须小于所述电荷均衡电路的放电电流，因为否则在对所述模块充电时仍然不能防止单个电容器的过量充电。此外所述均衡系统不能被从外部接通，而是只能通过超过所述预定的电压门限来激活。然而在汽车中运行时，恰好是这种状态无法经过较长的时间而被达到。这样设计的电荷均衡长期导致在电容器组中的不对称。这已经可以通过在实验车辆中的测量来证实。

总的来说，这样一种电路装置有下列缺点：

-当单元超过所述最大电压(例如U_C＞2.5V)时，不向上一级运行管理进行反馈，

-不反馈：单元电压是否大小相同，并且因此所述电容器组是否均衡，

-只有当所述最大电压被超过时，均衡才被激活，

-在均衡过程期间，能量被电阻转换为热量，

-在正如在前面所描述的车辆功能回收(再生制动)中出现的高达约1KA的高电流时，这样形成的电荷均衡是不可能的。

由EP 0 432 639 B2已知，通过为所述蓄电池组的每个单个蓄电池设置比较电路和充电电路(其拥有方波函数发生器)以及二极管、变压器和断路器，在多个串联的蓄电池中，在弱充电的蓄电池和其余蓄电池的分组之间导致电荷均衡。

借助于根据闭塞转换器(Sperrwandler)原则作为反激变换器工作的这种设备(图3)，从整个组中取得能量，并且将所述能量随后回馈到放电最多的蓄电池中。

这种消耗对于两个或者三个蓄电池而言可能是合理的，但该消耗对于由二十个或者更多蓄电池/电容器单元组成的组而言肯定是太高了。

可替代地，这里也可以使用另外一种能量源，例如附加电池，由此所述电路可以额外地用于对所述电容器组缓慢充电，也参见DE102 56 704 B3。

此外，所述电荷均衡的这种形式可以无论何时地被执行，而不依赖于是否达到所述单个电容器的最大电压，使得在电容器组中根本不能够形成危险的电荷不平衡。

在此只是推迟充电。长期没有能量被从组中取出，或者被转换成热量。这使得用于汽车应用的构思特别具有吸引力，因为即使在较长的停车后，也必须在车用电网中有足够的能量，以便可靠地保证成功地起动发动机。